1 電路設(shè)計

圖1為非接觸式IC卡系統(tǒng)框圖。PCD和PICC通過線圈耦合,實現(xiàn)半雙工通訊。PICC為無源結(jié)構(gòu),工作能量由片上線圈通過電感耦合從PCD獲得。RF載波信號加載到PCD的電感線圈上,使得PCD周圍產(chǎn)生一個磁場。當(dāng)PICC進(jìn)入該磁場后,通過卡上的線圈進(jìn)行電磁感應(yīng)而獲得能量。通過改變PCD和PICC間的磁場 強(qiáng)度,可以實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)通信。

       1.1 BPSK調(diào)制

PICC發(fā)送的是NRZ的BPSK信號,通過副載波用負(fù)載調(diào)制方式實現(xiàn)。時鐘產(chǎn)生電路從接收到的信號中恢復(fù)出13.56MHz的工作時鐘,該時鐘在數(shù)字控制電路中經(jīng)過16分頻,產(chǎn)生847kHz的副載波信號。

該調(diào)制過程分兩步完成:首先用要發(fā)送的數(shù)字信號調(diào)制副載波信號,實現(xiàn)BPSK調(diào)制;然后把得到的二進(jìn)制PSK信號疊加到載波信號上,發(fā)送出去。

BPSK調(diào)制原理圖如圖2所示。要發(fā)送的data_out和847kHz的副載波信號進(jìn)行異或得到BPSK信號,BPSK信號控制M1、M2的通斷,通過電阻Rmod1、Rmod2把PICC接收到的載波信號以847kHz的速率進(jìn)行調(diào)制,調(diào)制時產(chǎn)生一調(diào)制電流,用ΔI表示;調(diào)制后的信號通過天線的耦合作用來影響PCD產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度,把BPSK信號發(fā)送給PCD,實現(xiàn)負(fù)載調(diào)制。PCD中的線圈上感應(yīng)的電動勢(簡稱EMF)的值為:

 

ΔV=2π·M·F·ΔI式中,M是互感值,F是載波頻率。


       1.2 ASK解調(diào)部分

PCD發(fā)送的是速率為106kbps的10%的ASK信號,以保證PICC能連續(xù)工作。PCD要發(fā)送的數(shù)據(jù)直接調(diào)制在RF載波上,調(diào)制系數(shù)為10%(和標(biāo)稱幅值比較,“1”信號比標(biāo)稱幅值大10%,相應(yīng)地,“0”信號比標(biāo)稱幅值小10%)。PICC的解調(diào)部分從ASK信號中恢復(fù)出數(shù)字信息。

ASK解調(diào)部分原理圖如圖3所示。電路主要由包絡(luò)檢波器" title="檢波器">檢波器、載波濾波器和邊緣檢測器構(gòu)成。包絡(luò)檢波器可由PMOS橋電路構(gòu)成,為了防止電源信號對其產(chǎn)生干擾,這里用一獨立的橋式電路完成。由于有很多因素(如距離、卡的方向等)會影響信號包絡(luò)的幅度值,故采用邊緣檢測器來恢復(fù)NRZ數(shù)據(jù)。


       載帶濾波器為一個低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器,用以濾除載帶紋波信號噪聲,用RC一階低通濾波器實現(xiàn)。電壓比較器" title="電壓比較器">電壓比較器的兩輸入端通過電阻R1、R2引入偏置電壓;另一方面,包絡(luò)檢波器檢出的包絡(luò)信號經(jīng)過低通濾波后也通過電容C1接入電壓比較器的同相輸入端。顯然,當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時,Vp=Vn=VBias,電壓比較器的輸出為0;當(dāng)接收到10%的ASK信號時,電壓比較器的同相輸入端電壓Vp將隨AM的變化而產(chǎn)生波動,而反相輸入端仍為VBias,從而電壓比較器可以檢測出ASK信號的包絡(luò)變化信息,解調(diào)出數(shù)字信息。

2 仿真結(jié)果

該設(shè)計通過ADVANCED DESIGN SYSTEM 軟件進(jìn)行仿真。

2.1 BPSK調(diào)制電路的仿真結(jié)果

發(fā)送的數(shù)據(jù)data_out速率為106kbps,用其調(diào)制847kHz的副載波信號sub_c。當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)data_out為0時,產(chǎn)生的BPSK信號與sub_c同相;當(dāng)data_out為1時,BPSK與sub_c相位相差180°。BPSK信號控制M1、M2的開關(guān),實現(xiàn)負(fù)載調(diào)制,通過線圈的耦合作用,把data_out信號發(fā)送出去。即PICC發(fā)送數(shù)據(jù)時,PCD線圈感應(yīng)的信號頻率仍為13.56MHz,幅度隨著BPSK信號的變化而變化,如圖4所示。


      2.2 ASK解調(diào)電路的仿真結(jié)果

PICC接收到的是載波頻率為13.56MHz、調(diào)制系數(shù)為10%的ASK信號(如圖5中Vin所示)，傳送的數(shù)據(jù)速率為106kbps。經(jīng)過包絡(luò)檢波,檢出Vot信號,該信號通過邊緣檢測器檢測出信號邊緣的變化信息,恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù),如圖5所示。


       本設(shè)計還可用于其它ASK解調(diào)和BPSK調(diào)制的場合,來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備間通信。可靠讀卡距離為10cm，在電源電壓降至2V以下時,電路仍可正常工作,電路總消耗電流低于5μA。

該模塊可作為一獨立的IP核使用,被完全集成后,可降低系統(tǒng)元件數(shù)量,使系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性提高。